Численное моделирование динамики движения механизма в потоке несжимаемой среды с использованием метода вихревых петель

Решена актуальная задача разработки нового программного комплекса, предназначенного для моделирования процессов взаимодействия механизма или его элементов с потоком несжимаемой среды. В этом комплексе для расчета динамики механизма использована программа Project Chrono с открытым исходным кодом, а для вычисления обтекания тела и нестационарных аэрогидродинамических нагрузок — программа VM3D, реализующая бессеточный лагранжев метод вихревых петель. Предложен алгоритм решения связанной задачи взаимодействия конструкции с потоком. Работа программного комплекса продемонстрирована на примере четырехзвенного механизма устройства для преобразования возобновляемой энергии, который можно использовать при проектировании малых ветро- и гидроэлектростанций. Показано, что в зависимости от параметров механизма и набегающего потока кривошип способен совершать затухающие колебания или авторотацию. Найден диапазон мощности, который можно получить в режиме устойчивого вращения выходного звена. Полученные результаты могут быть применены для проектирования малых ветро- и гидроэлектростанций.

Литература

[1] Bungartz H.-J., Schäfer M., ed. Fluid-structure interaction. Modelling, simulation, optimization. Springer, 2006. 394 p.

[2] Морозов В.И., Пономарев А.Т., Рысев О.В. Математическое моделирование сложных аэроупругих систем. Москва, Физматлит, 1995. 736 c.

[3] Co-simulation with Hexagon CAE solutions. www.cradle-cfd.com: веб-сайт. URL: https://www.cradle-cfd.com/product/msc.html (дата обращения: 19.06.2023).

[4] Solids4foam. веб-сайт. URL: https://www.solids4foam.com/ (дата обращения: 23.12.2023).

[5] Marchevsky I., Sokol K., Ryatina E.et al. The VM2D open source code for two-dimensional incompressible flow simulation by using fully Lagrangian vortex particle methods. Axioms, 2023, vol. 12, no. 3, art. 248, doi: https://doi.org/10.3390/axioms12030248

[6] Andronov P.R., Dosaev M.Z., Dynnikova G.Y. et al. Modeling of oscillating wind turbine. J. Mach. Manuf. Reliab., 2009, no. 38, no. 4, pp. 383–387, doi: https://doi.org/10.3103/S1052618809040153

[7] Тушев О.Н., Щеглов Г.А. Численное моделирование аэроупругой динамики воздушного старта при наличии случайного разброса параметров аэродинамического нагружения. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2015, № 1, с. 22–33, doi: https://doi.org/10.18698/0236-3941-2015-1-22-34

[8] Dergachev S.A., Marchevsky I.K., Shcheglov G.A. Flow simulation around 3D bodies by using Lagrangian vortex loops method with boundary condition satisfaction with respect to tangential velocity components. Aerosp. Sci. Technol., 2019, vol. 94, art. 105374, doi: https://doi.org/10.1016/j.ast.2019.105374

[9] Марчевский И.К., Щеглов Г.А., Дергачев С.А. VM3D — программный комплекс для моделирования пространственных течений несжимаемой среды вихревыми методами. Свид. о гос. рег. прог. для ЭВМ 2022660838. Зарег. 10.06.2022.

[10] Tasora A., Serban R., Mazhar H. et al. Chrono: an open source multi-physics dynamics engine. In: HPCSE 2015. Springer, 2015, pp. 19–49, doi: https://doi.org/10.1007/978-3-319-40361-8_2

[11] Wei Z., Edge B.L., Dalrymple R.A. et al. Modeling of wave energy converters by GPUSPH and Project Chrono. Ocean Eng., 2019, vol. 183, pp. 332–349, doi: https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2019.04.029

[12] Martínez-Estévez I., Domínguez J.M., Tagliafierro B. et al. Coupling of an SPH-based solver with a multiphysics library. Comput. Phys. Commun., 2023, vol. 283, art. 108581, doi: https://doi.org/10.1016/j.cpc.2022.108581

[13] Стрекалов С.Д., Мишарев Г.М., Стрекалова Л.П. и др. Устройство для преобразования возобновляемой энергии. Патент РФ 2293212. Заявл. 04.08.2005, опубл. 10.02.2007.

[14] Klimina L., Dosaev M., Selyutskiy Y. Asymptotic analysis of the mathematical model of a wind-powered vehicle. Appl. Math. Model., 2017, vol. 46, pp. 691–697, doi: https://doi.org/10.1016/j.apm.2016.06.022

[15] Garbuz M., Klimina L., Samsonov V. Wind driven plantigrade machine capable of moving against the flow. Appl. Math. Model., 2022, vol. 110, pp. 17–27, doi: https://doi.org/10.1016/j.apm.2022.05.035

[16] ProjectChrono. An open source multi-physics simulation engine. projectchrono.org: веб-сайт. URL:https://projectchrono.org/ (дата обращения: 19.06.2023)

[17] Aндрoнoв П.P., Гувepнюк C.B., Дынникoвa Г.Я. Вихревые методы расчета нестационарных гидродинамических нагрузок. Москва, Изд-во МГУ, 2006. 184 с.

[18] Marchevsky I.K., Shcheglov G.A. Double layer potential density reconstruction procedure for 3D vortex methods. In: Numerical methods for flows. Springer, 2020, pp. 287–295, doi: https://doi.org/10.1007/978-3-030-30705-9_25